새로운 물질 방정식

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-02-26

프린스턴대학의 연구진들은 지난 80년 동안 양자 물리에서 풀지 못했던 공식에 새로운 돌파구를 찾았으며 소형 전자 장비와 에너지 효율적인 차를 만들 수 있는 새로운 재료 개발을 향한 길을 닦았다. 1920년대 물리학자들에 의해서 처음으로 제안된 이론을 착안하여, 연구진들은 새로운 물질이 만들어지기 전에 그것의 중요한 특성을 예측하는 새로운 방법을 발견했다. 새 수식은 기존에 가능했던 것보다 100,000배까지 속도를 증가시켜 재료의 속성을 컴퓨터를 이용해 전자의 움직임을 흉내낼 수 있으며 과학자들이 연구할 수 있는 재료의 속성 범위를 확장시켰다. "과학자들이 예전에 사용했던 것은 비효율적이며 엄청난 양의 컴퓨터 전력을 소모하였다. 그래서 우리는 완벽한 재료를 가진 몇 백 개의 원자로 그 수를 제한하여 설계했다.”라고 이 프로젝트를 이끄는 공학 교수인 Emily Carter가 말했다. "하지만, 재료 대부분이 완벽한 것은 아니다. 중요한 속성은 실제로 결함에 의해서 결정되지만, 그것을 알기 위해서는 결함이 있는 수천, 수만 개의 원자를 연구하여야 한다. 이 새로운 방정식을 이용함으로써, 우리는 백만 개에 달하는 원자를 설계할 수 있으며 그 물질의 진정한 속성에 한층 더 가까이 다가갈 수 있다.”라고 그녀는 말했다. 물질이 현실 세계에서 어떻게 행동하는지에 대한 파노라마적 시각을 제공함으로써, 그 이론은 과학자들에게 새로운 기술을 설계하는데 사용 될 수 있는 재료의 개발에 대한 도구를 주었다. 예를 들어, 자동차 프레임은 가볍고 강한 금속 합금으로 만들어진다. 이것을 그 지름이 인간의 머리카락 보다도 수천, 수만 배 작은 나노선를 사용하여 생산한다면 훨씬 더 에너지 효율적이고 작고 빠른 자동차를 만들 수 있을 것이다. 영국 옥스퍼드대학 퀸스 컬리지의 화학과 교수인 Paul Madden은 원래 Carter 교수에게 이 연구 분야를 소개해주었다. 그는 이 연구를 이와 같은 방식으로 연구할 수 있는 재료의 범위를 실질적으로 확대시켜주는 ‘중요한 돌파구’라고 설명했다. "이것은 현실 시뮬레이션에서 물질 물리의 새로운 장을 열었다.”라고 그는 말했다. 이 새로운 이론은 1927년Llewellyn Hilleth Thomas와 노벨 수상자인 Enrico Fermi에 의해서 제안된 개념인 Thomas-Fermi 방정식에서 영향을 받았다. 이 방정식은 원자와 분자의 두 기본적인 특성에 관련된 단순 도구였다. 그들은 그것들 움직임의 결과로서 에너지를 가진 전자를 이론화하여 전자의 운동 에너지를 만들었으며 이것은 전자가 어떻게 물질 안에서 분포되는지에 기초하여 계산된다. 좁은 지역에 한정된 전자는 높은 운동 에너지를 가지며 반면, 넓은 지역에 대량 분포된 전자는 낮은 에너지를 가진다. 이러한 관계를 이해하는 것은 중요하다. 왜냐하면, 전자의 분포는 측정하기 쉬우며 전자 에너지는 재료를 설계하는데 매우 유용하기 때문이다. 전자의 운동 에너지를 아는 것은 연구진들이 어떻게 물질이 물리적 스트레스에 반응하여 그 모양을 변화시키느지와 같은 재료의 구조와 다른 속성을 결정하는데 도움이 된다. 그 이해는 Thomas 와 Fermi의 개념이 이론적으로 가스에 기반을 두고 있다는 것이며 전자가 균등하게 분포한다는 것이었다. 그것은전자 밀도는 덜 균일한 실제 재료의 속성을 예측하는데 사용될 수는 없었다. 다음의 중요한 진보는 1964년도에 왔다. 또 다른 노벨 수상자인 Pierre Hohenberg 와 Walter Kohn는Thomas 와 Fermi에 의해서 제안된 개념이 실제 재료에 적용될 수 있다는 사실을 증명했다. 그들이 결과를 이끌어내지는 못했지만, 전자의 분포에 전자의 운동 에너지를 직접 연결하는 방정식을 연구하였다. Hohenberg 와 Kohn는 방정식의 존재를 증명한 기초 공사를 하였다. 그 이후로 많은 과학자가 그 이론을 가지고 연구를 하기 시작했다. Carter 교수는 1996년에 이 문제를 연구하기 시작했으며 1996년 두 명의 박사 후 학생들과 함께Hohenberg 와 Kohn의 연구를 구축함으로써 중요한 발전을 이끌었다. 그녀는 이후에도 계속 이 연구를 위하여 애썼다. “만약 이 세상의 모든 것을 설명할 수 있는 완벽한 방정식이 하늘에서 뚝 떨어진다면 그것은 정말 멋질 것이다. 그러나 그런일은 일어나지 않을 것이며 우리는 재료를 연구하는데 도움이 될 만한 실용적인 해결책을 찾아야만 한다.”라고 그녀는 말했다. 해결책의 부재에서, 연구진들은 물질의 속성을 결정하기 위하여 각 원자의 에너지를 계산했다. 만약 몇 백 개의 원자보다도 더 많은 수가 고려되어야 한다면 그 힘든 작업은 가장 강력한 컴퓨터로도 어려울 것이며 심각하게 물질의 양과 연구해야 할 현상의 종류를 제한될 것이다. Thomas 와 Fermi에 의해서 소개된 개념을 사용하는 것이 훨씬 더 효율적이라는 것을 Carter 교수는 알고 있다. 왜냐하면, 모든 전자의 정보 상태를 처리하는 것을 피할 수 있기 때문이다. 그들이 이 문제를 연구하면서, Carter와 Chen Huang은 그 퍼즐에 관한 열쇠는 Carter 교수의 초기 작업에서 관찰된 불균형에 기인한다는 것을 알았다. Carter와 그의 연구진들은 간단한 금속에서 전자의 운동 에너지를 예측하는 정확한 작업 모델을 개발했다. 그러나 그들이 같은 모델을 현대 전자 기기에 사용되는 전도성 소재인 반도체에 적용하려고 할 때, 그들의 예측은 더는 정확하지 않았다. "우리는 반도체와 금속의 결과가 왜 그렇게 다른지 그 이유를 찾아야 할 필요가 있었다. 그리고 우리는 금속과 반도체가 전기장에 다르게 반응한다는 것을 깨달았다. 우리의 모델은 이것을 놓쳤다.”라고 Huang이 말했다. “해결책은 타협이다. 이 두 가지 물질에 효과가 있는 방정식을 찾아냄으로써, 우리는 광범위한 재료에 맞는 모델을 찾았다.”라고 Huang이 말했다. 그들의 새로운 모델은 1월 26일 자 온라인 Physical Review B.에 게재되었으며 반도체에서 전자의 운동 에너지를 예측하는 실용적인 방법을 제시했다. 이 연구는 미국 국립 과학 재단(NSF)에 의해 지원을 받았다. 그림) 프린스턴대학의 Emily Carter 교수와Chen Huang은물질의중요한 속성을 예측하는 새로운 방법을 개발했다. 이것은 새로운 재료 개발과 기술의 발전을 앞당길 수 있다. 출처 : http://www.physorg.com/news186327169.html